铝合金表面氮电弧放电原位合成AlN增强金属基复合材料涂层

本项目基于钨极氮电弧温度较高，技术简单、高效的特点，将直流氮电弧放电技术应用于材料表面改性，在铝合金表面原位合成AlN增强金属基复合材料表面层。研究氮化表面层的组织结构特点，揭示电弧氮化参数对组织及性能的影响规律，实现AlN/Al基复合材料改性层组织结构及晶体尺寸可控。阐明氮化物晶体形核机理及生长机制，揭示原位氮化反应机理，通过复合氮化层中热力学及氮扩散动力学研究，得出氮扩散系数的数学模型，提出铝合金表面直流氮电弧放电的氮扩散理论，为形成系统的直流氮电弧放电氮化理论奠定基础。本研究获得的氮化层与基体为冶金结合，能够明显提高金属表面抗磨损性能，并能够解决AlN增强金属基复合表面层组织控制、性能预测及质量控制的关键技术问题，对促进陶瓷相增强金属基复合涂层的发展及丰富材料表面改性技术，具有重大科学意义和实用价值，为产业化应用奠定理论基础。

采用氮电弧放电技术在纯铝及铝合金基体表面快速制备AlN增强复合材料氮化层。氮化层主要由AlN增强相和Al固溶体相组成。氮化底微观结构主要有两种，一种为AlN树枝晶枝晶，分布在氮化层底部及中部，另一种层状结构主要由较厚的含Al固溶体层和较薄的AlN层交替组成，分布在氮化层上部。项目研究分析了电弧放电电流和电弧气氛对氮化层微观组织及性能的影响规律，并给出了优化的电弧放电技术参数。氮化层的厚度、硬度及抗磨损性能都随着电弧气氛中氮气比例的增加而增大，这主要是由于氮化层中AlN增强相增多导致的。而且，采用稀释的氮气的电弧放电获得的氮化层的性能要优于纯氮气条件下制备的氮化层。电弧放电电流对氮化层组织及性能影响较为复杂，研究表明，在纯氮气氛，电弧行走速度为2.5mm/s，当电弧电流为90A条件下，在纯铝及铝硅合金表面氮化层的抗磨损性能最好。通过对氮化层结构特点研究，提出了氮化机制模型。氮化层可分为过渡区、枝晶区和层状结构区，氮化反应主要发生在熔池表面，AlN增强相形核主要是铝元素通过毛细作用从熔池通过过渡区、枝晶区和层状结构区的孔隙向上传输，与含氮热等离子体中的氮离子发生表面氮化反应而成。首次提出直流氮电弧放电技术制备AlN增强相复合氮化层的氮化机制模型。